CN102693293A - 一种多变量时空数据的范围查询方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种多变量时空数据的范围查询方法及系统，其中，方法包括：载入并打开netCDF格式的多变量时空数据文件；读取多变量时空数据文件中各个多变量的格点数据并根据多变量的空间范围对格点数据进行预处理；获取多变量时空数据文件中的变量数据，对变量建立基于四叉树的层次化索引结构，其中层次化索引用于查找时使用；用户定义查询范围区域；根据查询范围，载入元数据信息及层次化索引结构；以及根据变量的层次化索引结构，通过对层次化索引结构的节点进行递归查找完成实时范围查询。本发明通过对多变量时空数据进行四叉树结构层次化，减少了查找时的时间复杂度，提高了查询的速度与查询方法的易用性。

Description

一种多变量时空数据的范围查询方法及系统
技术领域
本发明涉及科学数据可视化分析诊断领域，尤其涉及一种多变量时空数据的范围查询方法及系统。
背景技术
随着计算机技术的飞速发展，数值模拟得到了飞速提高，地球系统模式模拟系统就是基于数值模拟的。地球系统模式具有较多的输出变量类型及庞大的数据规模，且其数据一般以netCDF格式存储，必须借助可视化分析工具载入分析，因此对其数据进行统计及查找有一定的麻烦。
目前的技术中可视化方法主要是通过图形图像来展示数据范围和数据精度，而查找信息主要是通过对所有数据进行遍历查找。因此存在以下几个方面的问题：
（1）能展示的数据范围和数据精度有一定的范围，无法十分精准；
（2）统计查询时对数据进行遍历查找耗费较多时间及资源。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种多变量时空数据的范围查询方法。
本发明的另一目的在于提出一种多变量时空数据的范围查询系统。
为了实现上述目的，根据本发明的第一方面实施例的多变量时空数据的范围查询方法，包括以下步骤：载入并打开netCDF格式的多变量时空数据文件；读取所述多变量时空数据文件中各个多变量的格点数据并根据所述多变量的空间范围对所述格点数据进行预处理；获取所述多变量时空数据文件中的变量数据，对所述变量建立基于四叉树的层次化索引结构，其中所述层次化索引用于查找时使用；用户定义查询范围区域；根据所述查询范围，载入所述元数据信息及所述层次化索引结构；以及根据所述变量的所述层次化索引结构，通过对所述层次化索引结构的节点进行递归查找完成实时范围查询。
根据本发明实施例的多变量时空数据的范围查询方法，通过将多变量时空数据进行属性层次化，通过层次化索引结构的查询索引，避免了蛮力查询，降低了查询的时间复杂度，提高了方法的易用性。
为了实现上述目的，根据本发明的第二方面实施例的多变量时空数据的范围查询系统，包括：数据处理模块，用于载入netCDF格式文件读取所述文件中各个变量的数据并对所述数据进行预处理，并对所述变量建立层次化索引结构；以及可视化查询模块，用于根据用户输入查询范围，完成实时范围查询。
根据本发明实施例的多变量时空数据的范围查询系统，对数据进行了预处理，通过建立层次化索引结构来降低统计查询的事件负责度，提高了系统的易用性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，
图1是根据本发明一个实施例的多变量时空数据的范围查询方法的流程图；
图2是根据本发明一个实施例的多变量时空数据的范围查询方法的流程图；以及
图3是根据本发明一个实施例的多变量时空数据的范围查询系统的结构图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
下面参考说明书附图描述根据本发明实施例的多变量时空数据的范围查询方法
一种多变量时空数据的范围查询方法，包括以下步骤：载入并打开netCDF格式的多变量时空数据文件；读取多变量时空数据文件中各个多变量的格点数据并根据多变量的空间范围对格点数据进行预处理；获取多变量时空数据文件中的变量数据，对变量建立基于四叉树的层次化索引结构，其中层次化索引用于查找时使用；用户定义查询范围区域；根据查询范围，载入元数据信息及层次化索引结构；以及根据变量的层次化索引结构，通过对层次化索引结构的节点进行递归查找完成实时范围查询。
图1为本发明一个实施例的多变量时空数据的范围查询方法的流程图。
如图1所示，根据本发明实施例的多变量时空数据的范围查询方法包括下述步骤。
S101：载入并打开netCDF格式的多变量时空数据文件；
具体地，将以netCDF格式存储的多变量时空数据载入，并打开该netCDF格式的文件。
S102：读取多变量时空数据文件中各个多变量的格点数据并根据多变量的空间范围对格点数据进行预处理；
具体地，根据打开的多变量时空数据文件中所包含的变量，读取其中各种变量包含的格点数据，其中格点数据为二维平面经纬网格数据，并对该数据进行预处理。
S103：获取多变量时空数据文件中的变量数据，对变量建立基于四叉树的层次化索引结构，其中层次化索引用于查找时使用；
具体地，首先生成变量的元数据信息；再通过对变量的数据基于四叉树结构进行递归划分，并记录每个四叉树的节点信息，以生成层次化索引结构及层次化索引数据文件。
更具体地，首先根据多变量时空数据的经纬度，时间等信息组织起来，生成元数据信息，然后基于四叉树结构对数据进行递归划分，直到最小的元素，形成层次化索引结构，同时在划分时记录每个四叉树节点的信息，进行节点统计信息的计算，并将元数据信息、索引节点与数据记录结合起来生成层次化索引数据文件。
S104：用户定义查询范围区域。
具体地，用户通过鼠标拖动在可视窗口中选取想要查询的范围。
S105：根据查询范围，载入元数据信息及层次化索引结构
具体地，根据用户选取的查询范围，以及界面中层次化索引数据的路径和查询时间范围等属性信息，载入用户选择范围内的多个变量的层次化索引文件。
S106：根据变量的层次化索引结构，通过对层次化索引结构的节点进行递归查找完成实时范围查询。
具体地，从层次化索引根节点开始查找，判断当前节点是否在查找范围内；如果当前节点在查找范围内则返回当前结点的预处理数据；如果当前节点为空节点则递归查找当前节点的子节点；以及将查找到的预处理数据返回给用户。
更具体地，根据载入的多个变量的层次化索引结构，从根节点开始查找，根据跟节点的元数据信息判断根节点是否处于用户查找的范围之内，如果当前节点在查找范围内则根据索引节点得到该节点的层次化索引数据文件，将该层次化索引数据文件中的数据记录返回；如果当前节点不在在查找范围内则继续递归查找该节点的四个子节点，将其子节点作为根节点重复上述步骤。最后将查找到的所有数据记录返回给用户。
在本发明的一个实施例中，获取文件中的变量的数据，对变量建立层次化索引结构还包括：根据计算公式
Figure BDA00001642213100041
计算节点的平均值，对节点的覆盖的数据进行预先统计。
具体地，若当前节点的子节点为叶子节点的时候，根据计算公式
Figure BDA00001642213100042
来计算平均值，在计算父节点层次的平均值时，因为子节点的平均值已统计出，根据其子节点的平均值同样通过计算公式
Figure BDA00001642213100043
来计算该层的平均值，对所有层次的节点覆盖数据进行预先的统计。
在本发明的一个实施例中，元数据包含了数据的经纬度、时间以及其他与该数据相关的信息，主要用于读入索引和显示相关文件信息。
根据本发明实施例的多变量时空数据的范围查询方法，通过采用层次化结构索引降低对数据统计查询的时间复杂度，同时采用数据自动配置方法处理了原始数据，提高了方法的易用性，并且预先统计了层次化索引结构中各个节点覆盖的数据信息，使得查询响应时间大大减少。
图2为本发明又一个实施例的多变量时空数据的范围查询方法的流程图。
如图2所示，根据本发明实施例的包括下述步骤。
S201：载入并打开netCDF格式的多变量时空数据文件；
S202：读取多变量时空数据文件中各个多变量的格点数据并根据多变量的空间范围对格点数据进行预处理；
S203：获取多变量时空数据文件中的变量数据，对变量建立基于四叉树的层次化索引结构，其中层次化索引用于查找时使用；
S204：用户定义查询范围区域。
S205：根据查询范围，载入元数据信息及层次化索引结构
S206：根据变量的层次化索引结构，通过对层次化索引结构的节点进行递归查找完成实时范围查询。
上述步骤S201到S206的具体实现过程可参见步骤S101到S106的描述，此处不再详细介绍。
S207：将查询的结果显示给用户。
具体地，获取到返回的查询结果时，根据设定的时间尺度将返回的数据在查询结果窗口中实时绘制出来展示给用户。
在本发明第一个实施例中，所使用的数据包括科学模式输出数据、观察数据。
在本发明第一个实施例中，能够通过交互工具及可视化结果进行实时范围查询。
具体地，用户可以通过可视化窗口来用鼠标拖动定义的矩形窗口位置和尺寸来选择范围进行查询。
根据本发明实施例的方法，将用户查询的结果将数据在结果窗口通过绘制出来展示给用户，同时能让用户通过交互工具实时查询，提高了用户的体验感与方法的易用性。
下面参考说明书附图描述根据本发明实施例的多变量时空数据的范围查询系统。
一种多变量时空数据的范围查询系统包括：数据处理模块，用于载入ne tCDF格式文件读取文件中各个变量的数据并对数据进行预处理，并对变量建立层次化索引结构；以及可视化查询模块，用于根据用户输入查询范围，完成实时范围查询。。
图3为本发明一个实施例的多变量时空数据的范围查询系统的结构示意图。
如图3所示，根据本发明实施例的多变量时空数据的范围查询系统，包括：数据处理模块110，可视化查询模块120。
数据处理模块110用于载入netCDF格式文件读取文件中各个变量的数据并对数据进行预处理，并对变量建立层次化索引结构；可视化查询模块120用于根据用户输入查询范围，完成实时范围查询。
具体地，在本发明的一个实施例中，数据处理模块110进一步包括：可视化分析模块，主要用于载入netCDF格式文件中数据并对其进行数据分析建立基于四叉树的层次化索引结构并且对层次节点所覆盖的数据进行预先统计。
在本发明的一个实施例中，可视化查询模块120进一步包括：交互器，用于当可视化窗口被设置为范围查询模式后，根据用户拖动的窗口位置和尺寸获取区域的多个变量的统计信息。
在本发明的一个实施例中，可视化查询模块120还包括：显示模块，用于显示查询结果，在可视化查询模块120获取到返回的查询结果时，根据设定的时间尺度将返回的数据在显示模块中实时绘制出来展示给用户。
根据本发明实施例的多变量时空数据的范围查询系统，通过数据处理模块建立层次化索引结构，降低了对数据统计查询的时间复杂度，同时通过可视化分析模块采用数据自动配置方法处理了原始数据，提高了方法的易用性，并且预先统计了层次化索引结构中各个节点覆盖的数据信息，使得查询响应时间大大减少，最后通过显示模块将结果展示给用户，提高了用户的体验感与方法的易用性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (12)

1.一种多变量时空数据的范围查询方法，其特征在于，包括以下步骤：
载入并打开netCDF格式的多变量时空数据文件；
读取所述多变量时空数据文件中各个多变量的格点数据并根据所述多变量的空间范围对所述格点数据进行预处理；
获取所述多变量时空数据文件中的变量数据，对所述变量建立基于四叉树的层次化索引结构，其中所述层次化索引用于查找时使用；
用户定义查询范围区域；
根据所述查询范围，载入所述元数据信息及所述层次化索引结构；以及
根据所述变量的所述层次化索引结构，通过对所述层次化索引结构的节点进行递归查找完成实时范围查询。
2.根据权利要求1所述的多变量时空数据的范围查询方法，其特征在于，所述获取所述文件中的变量的数据，对所述变量建立层次化索引结构进一步包括：
生成所述变量的元数据信息；
通过对所述变量的数据基于四叉树结构进行递归划分，并记录每个所述四叉树的节点信息，以生成所述层次化索引结构及层次化索引数据文件。
3.根据权利要求2所述的多变量时空数据的范围查询方法，其特征在于，所述获取所述文件中的变量的数据，对所述变量建立层次化索引结构还包括：
根据计算公式
Figure FDA00001642213000011
计算所述节点的平均值，对所述节点的覆盖的数据进行预先统计。
4.根据权利要求2所述的多变量时空数据的范围查询方法，其特征在于，所述元数据包含了所述数据的经纬度、时间以及其他与该数据相关的信息，主要用于读入索引和显示相关文件信息。
5.根据权利要求1所述的多变量时空数据的范围查询方法，其特征在于，还包括，将所述查询的结果显示给用户。
6.根据权利要求1到5所述的多变量时空数据的范围查询方法，其特征在于，根据所述变量的所述层次化索引结构，完成实时范围查询还包括：
从所述层次化索引根节点开始查找，判断当前节点是否在查找范围内；
如果所述当前节点在查找范围内则返回所述当前结点的所述预处理数据；
如果所述当前节点为空节点则递归查找所述当前节点的子节点；以及
将查找到的所述预处理数据返回给用户。
7.根据权利要求1到6所述的多变量时空数据的范围查询方法，其特征在于，所使用的数据包括科学模式输出数据、观察数据。
8.根据权利要求1到7所述的多变量时空数据的范围查询方法，其特征在于，能够通过交互工具及可视化结果进行实时范围查询。
9.一种多变量时空数据的范围查询系统，其特征在于，包括：
数据处理模块，用于载入netCDF格式文件读取所述文件中各个变量的数据并对所述数据进行预处理，并对所述变量建立层次化索引结构；以及
可视化查询模块，用于根据用户输入查询范围，完成实时范围查询。
10.根据权利要求9所述的多变量时空数据的范围查询系统，其特征在于，数据处理模块，进一步包括：可视化分析模块，用于载入数据并进行数据分析。
11.根据权利要求9所述的多变量时空数据的范围查询系统，其特征在于，所述可视化查询模块，进一步包括：交互器，用于当可视化窗口被设置为范围查询模式后，根据用户拖动的窗口位置和尺寸获取所述区域的多个变量的统计信息。
12.根据权利要求9所述的多变量时空数据的范围查询系统，其特征在于，所述可视化查询模块，还包括：显示模块，用于显示所述查询结果。
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